2 - Schmelzweb

Physiologie
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Prof. SMEKAL
Stefan ULREICH
Energetik / Muskelstoffwechsel
2, Energetik / Muskelstoffwechsel
Um ein Gleichgewicht zwischen Verbrauch & Zufuhr lebensnotwendiger Stoffe &
Flüssigkeiten zu gewährleisten, müssen verschiedene Bilanzen berücksichtigt werden:

Energiebilanz

Nährstoffbilanz

Flüssigkeitsbilanz

Vitaminbilanz

Mineralstoffbilanz
ad Energiebilanz
Die Umsetzung von Nahrungsenergie (+gespeichrte Nährstoffe) in mechanische Enegerie ist
voraussetzung jeder physischen Aktivität.
erst eine ausgeglichende Energiebilanz ermöglicht es, über einen längeren Zeitraum optimale
physische Leistungen zu erbringen.
Eine andauernde negative Energiebilanz (Ausgaben > Einnahmen) führt zu einer
verminderten Leistungsfähigkeit und zu gesundheitlichen Problemen.
Die Komponenten des 24 Stunden-Energieverbrauchs (Energiebedarfes)
Der 24 Stunden Energieverbrauch (TEE= total energy expenditure) eines Menschen setzt sich
im Wesentlichen aus 4 Komponenten zusammen:
1. Grundumsatz; Syn.: Ruhe-Energieverbrauch (REE=resting enegy expenditure) =
etwa 60-70% des Gesamtenergieverbrauches eines Nichtsportlers. Bei Sportlern
verschiebt sich der Prozentsatz.
2. Körperliche Aktivität: Tagesaktivität (tägliche normale Aktivität im (Berufs-)leben
und zusätzliche sportliche Aktivität
3. Arbeitsinduzierter Thermogonese (AEE= activity related energy expenditure) =
etwa 20-30% des Gesamtenergieverbrauches
4. Nahrungsinduzierter Thermogonese (DIT=diet induced thermogonese) = etwa 515% des Gesamtenergieverbrauches
Der Grundumsatz
Die Energiemenge, die nötig ist, um den Körper in absoluter Ruhe (Schlaf) über einen
Zeitraum von 24 Stunden energetisch zu versorgen (d.h. alle Stoffwechselvorgänge wie z.B.
Herztätigkeit, Atmung, etc. weiterlaufen zu lassen).
Als Faustregel gilt:
1 kcal pro Stunde pro kg Körpermagergewicht
bei Mageren: tatsächliches Gewicht
bei Übergewichtigen: Normalgewicht
Bp: Ein Mensch mit 55 kg Körper-Magergewicht benötigt: 55 x 1kcal x 24h
= 55 x 24 = 1320 kcal Grundumsatz
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Grundumsatz ist von vielen Faktoren abhängig:
Der Grundumsatz ist eine große Komponente des 24h Energieverbrauchs bzw. des
Gesamtenergieverbrauchs
 Wärmeproduktion
 Aufrechterhaltung von Herz- & Kreislauffunktion, Atmung, Nieren- und Hirntätigkeit
 Einflussfaktoren auf die Höhe des Grundumsatzes
o Geschlecht (RER von Männern ist höher, als RER von Frauen)
o Genetik, Hormone: Schilddrüsenhormone (T3, T4), Leptin, Adrenalin,
Noradrenalin
o Klima
o Ernährungsgewohnheiten (beim Fasten weniger, bei Überernährung mehr)
o Alter (mit zunehmendem Alter weniger)
Energiegehalt von Nährstoffen – Einheit der Energie
Energien werden in Joule J oder Kilojoule (kJ) gemessen.
1 Kilojoule bezeichnet jene Energie, die man braucht, um 1 kg in 1 Sekunde 1 m hoch zu
bewegen.
Die Einheit Kalorien ist veraltet und eigentlich nicht mehr gültig.
Zur Umrechnung gilt:
1 Kilokalorie = 4,185 Kilojoule
Nährstoff; Masse m=1
Energiegehalt in kJ
Energiegehalt in kcal
Protein
17,18
4,1
Kohlenhydrat
17,18
4,1
Fett
38,97
9,3
Alkohol
29,75
7,1
Alkohol ist damit neben den Fetten der energiereichste Energieträger
Der Grundumsatz ist nach körperlichen Aktivitäten oft noch Stunden später erhöht.
Die Formen der Energiebereitstellung und ihre Substrate
anaerobalaktazid
anaerob-laktazid
aerob
-
Kreatinphosphat
ADP
Kreatin
ATP
KH (anaerob)
Laktat
KH (aerob)
Fette
(Eiweiß
H2O + CO2
H2O + CO2
H2O + CO2)
nur sehr wenig ATP und Kreatinphosphat (=energiereiche Phosphate) in Muskeln gespeichert:
(ATP – 1,2 kcal
Kreatinphosphat – 3,6 kcal)
Daher muss ATP resynthetisiert werden. Mit Hilfe der Kohlenhydrate.
Sie sind im Gegensatz zu Fetten & Eiweißen nicht nur aerob verwendbar, sondern wir können aus
ihnen auch Energie gewinnen, ohne sie zu verbrennen.
Fette:
Körperfett - ~100 000 kcal
Fett (intramuskulär) – 2800 kcal
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(Proteine – 123 000 kcal)
Nomenklatur der Energiebereitstellung
Aerob = mit Sauerstoff
Anaerob = ohne Sauerstoff
Laktazid = mit dem Enstehen von Laktat
Alaktazid = ohne dem Entstehen von Laktat
Der Energie-Stoffwechsel der Muskelzelle
Glykogen
Zytoplasma
Laktat
O2
anaerob
Fettsäuren
Aminosäuren
Oxalacetat
Succinat
Glukose – 1P
Glukose – 6P
Fruktose – 6P
Pyruvat (=Brenztraubensäure)
Acetyl - CoA
Zitratzyklus
Mitochondrien
Citrat
2eH+
Atmungskette
NAD+ >> NADNADH
2 FE 3+ >> 2 FE 2+
FAD >> FADH
ADP + P >>> ATP
O2
a – Ketogluturat
aerob
+ O2 = H2O
venöse Kapillare
CO2
H2O
Die ENERGIETRÄGER
Kohlenhydrate (intramuskulär)
Muskelglykogen:
hängt ab: von einer Vielzahl von Faktoren (z.B. Ernährung, Muskelmasse, der
Muskelfaserzusammensetzung, …)
Menge wird daher variabel angegeben: zwischen 1200 und 2000 kcal
Leberglykogen: (=Traubenzuckermoleküle=Einfachzucker)
50 bis maximal 110g Glykogen. Dies entspricht einer Energiemenge von etwa 200 bis max.
450 kcal.
In Körperumlauf, zb bei einem Marathonlauf sind ca 700 kcal. => viel zu wenig
Exogen zugeführtes bzw. oxidiertes KH (Tracer Studie):
Oxidation von Exogenem KH
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4,5 G = 4,5 g/l Glukose im Getränk
17 G = 17 g/l Glukose im Getränk
17 MD = 17 g/l Maltodextrin im G.
250
200
150
verabr.
res.
100
Fahrrad – Ergo: 70 % VO2max
Dauer: 80 min
oxid.
50
42
31,5
39,1
KH- Oxidation in 80 min:
40g = etwa 30g pro Stunde
0
4,5G
17G
17MD
123 kcal/h
Der anaerobe KH – STW:
Zytoplasma
Laktat
O2
anaerob
Pyruvat
Die anaerobe Produktion von Energie aus KH ist unökonomisch!
1 mol Muskelglykogen
>>
aerob:
36 mol ATP
anaerob: 2 mol ATP
Die ENERGIETRÄGER
Fette (Fettgewebe)
Die Fette bilden das mit Abstand größte Energiedepot im menschlichen Organismus. Fett
ist auch das effizienteste Depot – Substrat im Organismus:
1 g Fett = 9 kcal (1 g KH und Protein = 4,1 kcal)
Beispiel: 70 kg schwerer Mann (mit Körperfettanteil von 15%):
Fettmenge von 10,5 kg – also eine Gesamtenergiemenge von 94500 kcal. Dazu kommt jene
Menge an Triglyceriden, die intramuskulär gespeichert ist (siehe vorher).
Die intramuskulären Fette:
in Form von
 Fetttröpfchen, die in den Muskelfasern gelagert sind (neben den Mitochondrien, bei
Ausdauertrainierten mehr & größere Mitochondrien und größere Angriffsfläche auf die
Fetttröpfchen.)
Die ENERGIETRÄGER
Proteine
Reichlich körpereigene Proteine
Bei einem 70 kg schwerem Mann ist mit einer Gesajt-Proteinmenge von etwa 12 kg zu
rechnen ( Muskelgewebe, Enzyme, Hormone, Membranen, rote Blutkörperchen, Hitnzellen,..)
Sie sind also großteils also funktionell gebunden
Hauptvorkommen ist somit das Muskelgewebe.
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Die Skelettmuskulatur macht etwa 40-45 % der Körpermaße aus.
=> für einen 70 kg schweren Mann enthält die Muskulatur etwa 7 kg Protein (vor allem im
kontraktilen System).
Freie Aminosäuren (AS) kommen vor allem im Muskel (~120g) vor; nur 5g zirkulieren im
Blut.
BCAAs - verzweigtkettige Amminosäuren (auf diese wird bei Belastung zugegriffen):
LEUCIN
Iso-Leucin
Valin
Der Körper greift unter Belastung also vorwiegend auf die BCAA zu (besonders Leucin).
BCAA’s werden bei längeren Ausdauerbelastungen zunehmend von der Muskulatur aus dem
Aminosäuren-Pool aufgenommen und oxidiert.
Bei Ausdauerbelastungen langer Dauer sinkt der Spiegel der im Pool vorrätigen BCAA, da sie
vermehrt zur Energiegewinnung herangezogen werden.
sind daher zunehmend weniger freie BCAA’s verfügbar wird der Bedarf aus körpereigenen
Proteinen (BCAA’s) gedeckt (besonders Muskelgewebe)
AS-Umwandlung in KH und
Fette >> Speicherung
Mit der Nahrung zugeführtes
Protein bzw. Aminosäuren
AS Pool
freie AS in
Körpergeweben
und
Flüssigkeiten
AS für Energieproduktion
z.B. Leucin, Isoleuci, Valin
(mindestens 6 AS)
Synthese
Körpereiweiß
Substratmangel
v.a Muskulatur, Plasmaeiweiße,
Hormone, …
Der Eiweißkatabolismus steigt mit einer Verarmung an Muskelglykogen und hypokalorischer
Ernährung.
Aus den vorliegenden Daten ergibt sich als Empfehlung für eine ausreichende EW- Zufuhr im
Ausdauer-Sport:
 Hobby-AD-Sportler
Die Energieflussraten von Substraten:
(Eigene Anmerkung: Energieflussrate ist die ATP-Bildung pro Zeiteinheit: je höher die
Energieflussrate, desto höher kann die Intensität der Leistung sein (Krafteinsatz,
Laufgeschw., …) – hohe Intensität >> kurze Dauer)
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Fette:
Kohlenhydrate:
aerob:
ENERGIE
anaerob:
Energiereiche Phosphate
Der Anteil der KH steigt mit der Belastungsintensität !
Energiebereitstellung bei „ Steady-State“ –
Belastungen unterschiedlicher Intensität
kcal / kg / min
300
250
200
Musk.-Glyk.
150
Musk.-Trigl.
100
Pl.-FS
Pl.-Glykose
50
0
25%
VO2max
65%
85%
Muskel-Glykogen
Muskel-Triglyceriden
Pl.-FS = Plasmafettsäuren
Pl.-Glukose = Blutzucker (aus Leber)
Der Energie-Stoffwechsel der Muskelzelle
Glykogen
Zytoplasma
Laktat
O2
anaerob
Fettsäuren Aminosäuren
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Glukose – 1P
Glukose – 6P
Fruktose – 6P
Pyruvat (=Brenztraubensäure)
Acetyl - CoA
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Oxalacetat
Succinat
Zitratzyklus
Mitochondrien
Citrat
Atmungskette
NAD+ >> NADNADH
2 FE 3+ >> 2 FE 2+
FAD >> FADH
ADP + P >>> ATP
O2
a – Ketogluturat
2eH+
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aerob
+ O2 = H2O
venöse Kapillare
CO2
H2O
Präventive Aspekte
Entsprechender Fitnesszustand muss gegeben sein, um dann entsprechende Belastung für
Fettstoffwechsel durchhaltbar zu machen.
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